Kennametal treibt Innovation in der Zerspanung mit 3D-gedrucktem Werkzeug für Automobilzulieferer Voith voran
Aufbauend auf dem Erfolg seines preisgekrönten 3D-gedruckten Statorbohrwerkzeug für die Bearbeitung von Statorgehäusen für Elektrofahrzeuge hat Kennametal ein innovatives 3D-gedrucktes Werkzeug für Getriebegehäuse für Voith entwickelt, das das Gewicht um ca. 45 % und die Bearbeitungszeit um ca. 50 % reduziert.
Da die Komponenten im Transportwesen immer anspruchsvoller und die Anforderungen immer höher werden, benötigen die Hersteller komplexe Werkzeuglösungen für die Bearbeitung dieser Komponenten. Dies stellt jedoch eine Herausforderung dar, da das Gewicht solcher Werkzeuge für einen effizienten Betrieb auf Bearbeitungszentren, Werkzeugwechslern und Werkzeugmagazinen zu hoch werden kann. Auch Maschinenbediener können Schwierigkeiten bei der Handhabung des Werkzeugs haben.
Die jüngste Zusammenarbeit zwischen Kennametal, einem Technologieführer im Bereich Zerspanungswerkzeuglösungen, und Voith, einem führenden Anbieter von Antriebstechnologien, zeigt, wie der 3D-Druck oder die additive Fertigung einen Weg zu neuartigen, leichteren Werkzeuglösungen bietet, die diese Herausforderungen meistern und gleichzeitig die Produktivität und Effizienz verbessern.
Die Herausforderung: Bearbeitung mehrstufiger Bohrungen mit engen Toleranzen und großen Durchmessern auf vorhandenen Bearbeitungszentren
Voith suchte nach einer innovativen Lösung, um seine Bearbeitungsprozesse für Getriebegehäuse weiter zu optimieren. Das Unternehmen benötigte ein mehrstufiges Werkzeug, das Stufenbohrungen in einem Arbeitsgang bearbeiten und dabei die erforderlichen Toleranzen einhalten konnte. Das Werkzeug musste außerdem zwei effektive Schneidkanten an den Hauptdurchmessern haben, um die vorgegebene Zykluszeit zu erreichen. Schließlich musste das Werkzeug weniger als 12 kg wiegen, um die Anforderungen an den Werkzeugwechsel und das Kippmoment der Werkzeugkette zu erfüllen.
„Die Feinbearbeitung eines großen Aluminiumgehäuses mit mehrstufigen Bohrungen bis zu 350 mm und der Toleranzklasse IT7 ist eine anspruchsvolle Anwendung“, sagte Werner Penkert, Manager Product Engineering. „Um diese großen Bohrungen mit so engen Toleranzen zu bearbeiten, benötigen wir sehr stabile Werkzeuge, was in der Regel ein hohes Gewicht bedeutet. Bei der Herstellung mit konventionellen Methoden könnte eine typische Werkzeuglösung für diese Art von Anwendung bis zu 25 kg wiegen – zu schwer für die vorhandenen Maschinen oder für einen Bediener, der mit dem Werkzeug arbeitet.“
Fasziniert von der Art und Weise, wie Kennametal den 3D-Druck zur Herstellung eines leichteren Werkzeugs für die Innendrehmeißel bei der Bearbeitung von Elektrofahrzeugen nutzte, wandte sich das Voith-Team an den Technologieführer der Branche, um gemeinsam eine Lösung zu finden.
„Kennametals innovativer Ansatz beim 3D-Druck hat uns begeistert und inspiriert, diesen Weg gemeinsam zu gehen,“ sagt Friedrich Oberländer, Director Fertigungstechnologie bei Voith.
Die Lösung: Kennametals Expertise in generativem Design und 3D-Druck
Wie schon bei dem 3D-gedruckten Statorbohrwerkzeug nutzte Kennametal auch hier seine Expertise im Bereich der additiven Fertigung sowie das Konzept des generativen Designs, um die anspruchsvollen Anforderungen des Voith- Getriebewerkzeugs zu erfüllen.
Bei der konventionellen subtraktiven Fertigung wird das Gewicht reduziert, indem überschüssige Werkstoffe entfernt werden. Mit dem 3D-Druck können die Hersteller jedoch sozusagen bei Null anfangen und Material nur dort aufbauen, wo es benötigt wird. Das Ergebnis sind leichtere, komplexere Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsprozessen nicht möglich sind.
Um die Designfreiheit der additiven Fertigung voll auszuschöpfen, nutzte Kennametal das generative Design – einen iterativen Prozess, der das Design von 3D-gedruckten Teilen optimiert, um einer Reihe von anwendungsspezifischen Beschränkungen entgegenzuwirken. Der generative Design-Prozess führt oft zu komplexen, organischen Formen, die an Strukturen aus der Natur erinnern.
Im Falle des Voith-Werkzeugs hat das generative Design die Bearbeitungskräfte auf das Werkzeug direkt berücksichtigt und Kennametal in die Lage versetzt, eine Lösung zu entwickeln, die hinsichtlich Stabilität, Steifigkeit, Auswuchtung und Kühlmittelzufuhr optimiert ist – und das bei einem Gewicht von nur 11,5 kg.
Kennametal setzte sein Know-how nicht nur in der additiven Fertigung, sondern auch in der spanenden Bearbeitung bei der Herstellung des Werkzeugs ein. Die Plattensitze sind fein bearbeitet und für den Einsatz in Kombination mit der bewährten RIQ-Wendeschneidplatten-Technologie von Kennametal konzipiert.
"Additive Verfahren sind nur ein Werkzeug in unserem Werkzeugkasten, aber wir haben auch unser umfassendes Know-how in der Präzisionsbearbeitung eingesetzt, um eine neuartige Lösung zu entwickeln, die die Herausforderungen beim Bohren tiefer Löcher in Verbindung mit großen Mehrstufenbohrungen effizient angeht", so Penkert.
Das Design des 3D-gedruckten Getriebegehäuse-Werkzeugs von Kennametal ahmt die in der Natur vorkommenden organischen Formen nach und ermöglicht dem Kunden Voith ein geringeres Werkzeuggewicht und eine um 50 % kürzere Bearbeitungszeit. Bildnachweis: Kennametal
Die Ergebnisse: 50 % weniger Bearbeitungszeit
In enger Zusammenarbeit mit Voith fertigte Kennametal einen Werkzeugprototyp und testete ihn in seinem Vorführzentrum in Fürth, Deutschland – Teil eines globalen Netzwerks von Test- und Vorführzentren, in denen das Unternehmen mit Kunden zusammenarbeitet, um Bearbeitungslösungen zu entwickeln, zu iterieren und zu validieren.
Diese Lösung war eine besondere Herausforderung, um sowohl die Anforderungen an die Herstellung als auch an die Qualität der Teile zu erfüllen. Konstruktionssimulation, additive Fertigung und praktische Tests im Demonstrationszentrum ermöglichten es dem Team, die Ergebnisse der Bearbeitung zu validieren. Voith führte dann erste Tests vor Ort durch, gefolgt von längerfristigen Tests in der Serienfertigung. Weitere Kundenanforderungen wurden umgesetzt, und das Werkzeug wurde gemeinsam perfektioniert und fertiggestellt.
„Das Werkzeug von Kennametal lieferte vom ersten Einsatz an eine hervorragende Qualität und Leistung, indem es die Bearbeitungszeit um 50 % reduzierte und gleichzeitig die Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte erfüllte. Darüber hinaus begrenzt das geringere Gewicht die Belastung von Magazin, Werkzeugwechsler und Spindel und senkt so die Wartungskosten“, so Oberländer. „Unsere Zusammenarbeit mit Kennametal zeigt deutlich das enorme Innovationspotenzial der additiven Fertigung, wenn sie in einer solchen kooperativen Partnerschaft angewendet wird.“
